【摘要】：過渡金屬氧化物因其獨(dú)特的物理化學(xué)性能近年來受到了越來越多的關(guān)注。研究表明,過渡金屬氧化物的性能與材料的尺寸、形貌、組成和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。當(dāng)尺寸減小到納米尺度時(shí),過渡金屬氧化物將會表現(xiàn)出各種各樣新的物理化學(xué)特性,這些特性使得過渡金屬氧化物成為納米器件的理論研究與實(shí)際應(yīng)用的理想選擇。其中,CuO納米材料因其化學(xué)穩(wěn)定性好、比表面積大、原料成本低、具有多形態(tài)納米尺寸和環(huán)境友好等優(yōu)勢得到了廣泛的研究與應(yīng)用。三維納米材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),有較大的比表面積,能夠提供更多的活性位點(diǎn)和層次化的多孔通道,使離子的擴(kuò)散通道變短。因此,利用三維多孔納米材料可以有效提高納米材料的電化學(xué)性能。本文通過簡單易行的合成方法制備形貌、質(zhì)量可控的CuO納米材料,將其與三維多孔納米結(jié)構(gòu)復(fù)合,得到具有相應(yīng)電化學(xué)性能的新型材料并分別應(yīng)用于超級電容器和葡萄糖傳感器。研究內(nèi)容與結(jié)果包括:(1)超細(xì)CuO納米顆粒嵌入三維網(wǎng)狀石墨烯納米復(fù)合結(jié)構(gòu)作為高性能柔性超級電容器的研究將超細(xì)CuO納米顆粒通過原位熱分解的方法嵌入在碳布上生長的三維網(wǎng)狀石墨烯(CuO/3DGN/CC),得到導(dǎo)電性好、比表面積大、氧化還原性能優(yōu)異的新型電極材料。通過調(diào)控CuO的沉積質(zhì)量優(yōu)化其性能,并對制備好的電極進(jìn)行電化學(xué)測試。結(jié)果表明,材料的比電容和面電容分別可以達(dá)到1539.8 F g~(-1)和2787 mF cm~(-2)。電極也顯示了很好的穩(wěn)定性,當(dāng)電流密度為6 mA cm~(-2)時(shí),循環(huán)1000次后電容仍然可以保留82.6%。另外,利用CuO/3DGN/CC納米材料可以制備出柔性固態(tài)超級電容器器件,該器件在各種彎曲角度下顯示出幾乎不變的循環(huán)伏安特性,展示了其在可穿戴電子器件中的發(fā)展?jié)摿�。兩個(gè)面積為2×4 cm~2的固態(tài)超級電容器器件串聯(lián)可以為9盞發(fā)光二極管(LED)供電超過三分鐘,這表明CuO/3DGN/CC納米復(fù)合結(jié)構(gòu)作為能量存儲器件的電極材料具有可觀的應(yīng)用前景。(2)CuO納米顆粒與(001)面暴露的TiO_2納米片陣列復(fù)合作為無酶光電化學(xué)葡萄糖傳感器的研究通過水熱法將(001)面暴露的TiO_2納米片陣列生長在碳布上(TiO_2/CC),并利用二次水熱法將CuO納米顆粒附著于TiO_2納米片陣列的表面,形成生長在碳布上的三維CuO/(001)TiO_2異質(zhì)結(jié)。由于TiO_2對光照的敏感性,該異質(zhì)結(jié)被用于無酶葡萄糖光電化學(xué)傳感器性能的研究。通過調(diào)控CuO的沉積質(zhì)量,得到最優(yōu)葡萄糖傳感器結(jié)構(gòu)時(shí),器件對葡萄糖的最大響應(yīng)靈敏度為5530.14?A mM~(-1) cm~(-2),高于之前報(bào)道的所有類似結(jié)構(gòu)的傳感器。另外,該結(jié)構(gòu)也展現(xiàn)了最低檢測極限0.2?M以及理想的線性范圍0.2-680?M.這些卓越的性能歸功于(001)面暴露的TiO_2納米片陣列為CuO的沉積和葡萄糖分子的氧化提供了大量的活性位點(diǎn),也歸功于CuO/(001)TiO_2異質(zhì)結(jié)對光生電子空穴對的有效分離以及碳布極好的電荷收集和傳遞性能。這種結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體基無酶光電化學(xué)葡萄糖傳感器的進(jìn)一步研究提供了一種新的思路。
【圖文】：

消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光、熱等現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺娦盘柦?jīng)過電子技術(shù)處理后，在儀器上顯示或記錄下來。生物傳感器是傳感器的一種，是指利用酶、免疫系統(tǒng)、組織、細(xì)胞器或整個(gè)細(xì)胞等生物活性成分的特異性生物反應(yīng)結(jié)合電、熱、光等各種信號對化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測的裝置。生物傳感器可以按照不同的分類方式進(jìn)行分類。按照生物識別元件的不同，，可以分為酶生物傳感器、免疫生物傳感器、微生物生物傳感器、細(xì)胞生物傳感器和組織生物傳感器；按照信號轉(zhuǎn)換原件的不同，可以分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、聲波生物傳感器和熱生物傳感器。其中，基于電化學(xué)技術(shù)的電化學(xué)生物傳感器受到了越來越多科研工作者的親睞。電化學(xué)生物傳感器可以將生物識別分子與被測定的物質(zhì)底物發(fā)生的反應(yīng)以電信號的形式讀取出來，測試靈敏度高、信號采集便利、易于器件化整合�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn)，電化學(xué)生物傳感器在臨床檢測、環(huán)境監(jiān)測、生化分析、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及食品檢測等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 超細(xì) CuO 納米顆粒嵌入三維網(wǎng)狀石墨烯納米復(fù)合結(jié)構(gòu)超級電容器性能研相應(yīng)的 CuO 質(zhì)量密度分別為 0.678 mg cm-2，1.36 mg cm-2，1.58 mg cm-2，2.04 mcm-2。作為對比，在 300°C 下加熱 15 分鐘后的純 3DGN/CC 進(jìn)行了同樣的電化性能研究。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM53;TB383.1

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本文編號：2615430